带多点触控功能的电容式触摸屏方案 电容, 功能, 方案, 触摸屏

触摸屏技术已经存在了30多年，人们对在屏幕上指指画画也早已不感觉新鲜，但正当人们对触摸屏的审美疲劳达到了视而不见的程度时，iPhone的横空出世让触摸屏重新成为被关注的焦点。人们惊奇地发现，在触摸屏上用多个手指操作是如此地符合自己与生俱来的习惯。如果说单点输入是由于技术的限制而让人被迫去适应机器，那多点输入的诞生就真正做到了以人为本。 从用户输入界面来看，多点触控并非创举。早在1982年，多伦多大学的一个科研项目中就提出了多点输入的用户界面，在当时的项目中，由于使用了相机成像的技术，任意点的触摸都可以同时被感应到。那么，为什么当多点触控出现在手持消费品上就如此受人追捧呢？首先，一种技术能应用在大量生产的消费产品上，就证实了该技术的成熟度。电容式触摸感应是一种应用广泛、历久不衰的技术。其次，在消费产品上的应用，也表明了该技术的平民身价，它不是摆在橱窗中供人观赏、让人望尘莫及的技术，而是人人皆可拥有。最后，多点触控解决了手持设备发展的一个日益突出的矛盾，即设备功能越来越复杂而操作方式却千篇一律，用户往往需要多次按键才能完成一次有效的操作。多点触控带来了更多的选择，抓取、拖曳、缩放、旋转，所有这些都可以一气呵成。 赛普拉斯半导体公司一直致力于电容式触摸感应方案，其可编程片上系统(PSoC)已经被广泛应用于手机、家电等的电容式感应按键应用上。根据市场的需求，赛普拉斯也不失时机地推出了具有多点触控功能的电容式触摸屏解决方案。 多点触控的概念 主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、表面电容式(Surface Capacitance)触摸屏、感应电容式(Projected capacitance)触摸屏、声表面波式触摸屏、红外线式触摸屏等。其中，红外线式和感应电容式触摸屏能够支持多点触控，前者由于尺寸限制和线性度不高，尚不能满足消费类产品的要求，而感应电容式触摸屏因其相对可接受的成本以及良好的线性度和可操作性，是目前主流的多点触控技术。 多点触控的定义来自应用，即利用多个点同时作用在平面上完成某个特定的操作，比如缩放。但是，为了实现多点触控，当一个以上的手指作用在触摸屏上时，控制器是否需要知道每个手指的具体位置呢？答案是否定的。在技术实现的角度上来讲，多点触控可被进一步区分为多点检测和多点解析。所谓多点检测，是指能够检测到有多个点被触摸到，但不一定需要知道每一个点的确切位置。但多点解析则不仅能检测到多点触摸，还可以比较精确地知道每个点的确切位置。目前多点触控的应用，体现为对用户手势的识别从而产生相应的动作，多点检测即可以支持足够多的手势输入。当然，多点解析可以识别更多的手势，在应用设计中也具有更高的灵活性，但是它需要付出比前者更多的成本。 赛普拉斯的感应电容式触摸屏方案 PSoC是由赛普拉斯半导体公司推出的具有数字和模拟混合处理能力的可编程片上系统芯片，某些系列的PSoC(如CY8C21X34系列)由于其内部配备的特殊资源，可以很容易地实现电容式触摸感应功能。它们仅需少量的外部分立元件，就可以将每一个通用的I/O都配置为电容感应输入。 不管是电容式还是电阻式触摸屏，都依赖于一种透明的导电体材料，即铟锡氧化物(ITO)。感应电容式触摸屏在玻璃或其他透明基底上用ITO做出X-Y矩阵图形(图1)，这些图形就是电容式感应所需要的电极。利用ITO的导体特性产生原始的寄生电容，当手指接近某个感应电极时，相当于在原来的电容基础上并联了新的电容，从而使感应电极对地(扫描某个特定电极时，其它电极被接到地上)的电容发生变化。通过在PSoC内部搭建电路，并用内建8位处理器的程序来控制电路的运作，就可以把电容的变化转化成计数值的变化。PSoC根据每个感应电极上的电容变化量计算出X和Y方向的精确坐标，分辨率随着电极数和电极之间的中心距离而变化。 [IMGA]http://www.ed-china.com/ARTICLE_IMAGES/200802/20080201_HA_STECH_TS_01F1.JPG[/IMGA] ITO的透光度与表面阻抗成正比，即透光度越高，表面阻抗越大，但在透光度一定的情况下，ITO的图形设计也对阻抗有影响。由于这个特性，基于ITO的电容式触摸感应设计要面对不小的挑战，因为阻抗的存在，增加了电容充放电的时间，从而使感应时间变长，信噪比(SNR)也会相应降低。尽量减少感应电极的固有阻抗，是设计感应电容式触摸屏的关键因素。 在触摸屏中，ITO是以平面导体的形式存在，每一个方块区域对应着同样的阻抗。根据这一原则，赛普拉斯推荐使用菱形的感应单元，因为连接这些菱形的导线可以用最少的方块区域(少于等于2个)拼接而成，如图2所示。 [IMGA]http://www.ed-china.com/ARTICLE_IMAGES/200802/20080201_HA_STECH_TS_01F2.JPG[/IMGA] 这种X-Y矩阵式的设计可以实现多点检测，但还无法实现多点解析。如图3所示，当两个点同时作用到屏上时，X和Y方向上检测到的信号体现为在两个不同位置上出现峰值，而这样的输出却对应两种不同的输入，即图3中的一对红点和一对白点，控制器无法判断手指当前作用在哪一对点上。 [IMGA]http://www.ed-china.com/ARTICLE_IMAGES/200802/20080201_HA_STECH_TS_01F3.JPG[/IMGA] 尽管如此，利用PSoC的后端处理能力依然可以实现丰富的两点手势输入，如抓取、拖曳、缩放、旋转等。从某种意义上讲，这种方案兼顾了可操作性和成本。赛普拉斯也提供更多的拓展方案供客户选择，比如增加坐标轴的数目和分割屏，这些方案可在一定程度上增加解析点的数目，但成本和设计复杂度都相应增加。 赛普拉斯感应电容式触摸屏方案的优势 由于PSoC的可配置、可编程的特点，赛普拉斯的感应电容式触摸屏方案具有得天独厚的优势。 首先，与ASIC和固定功能的解决方案不同，PSoC可以在单片上同时实现离散按键、滑动条、触摸面板甚至是接近式感应。很多用户在实现触摸屏的设计时，并不要求要屏上所有区域都输出X和Y坐标，在某些特定的区域(如屏幕底部)可能仅需要固定位置的按键功能。在另外一些应用中的触摸屏需要接近式感应功能，如当人体靠近到10厘米之内时就打开屏幕背光。这些特殊需求都可以用单片PSoC实现，对于不同的感应方式设置不同的参数，通过PSoC来动态配置。 其次，PSoC内置的8位处理器可以实现对多点手势操作的识别和提取，把精简的指令信息发送给主处理器，能在很大程度上减轻主处理器的运算压力。 此外，PSoC内部丰富的模拟和数字资源以及强大的运算能力为设计者提供了优化系统设计的可能。在一个实际的案例中，一颗PSoC同时实现了触摸感应、周围光线强度感应和LCD背光控制。 赛普拉斯感应电容式触摸屏方案的应用 感应电容式触摸屏可用玻璃作基底，透光率高，使用中没有机械变形，并支持多点触控，因此感应电容式触摸屏被广泛地应用在各个领域中。比如，随着手机对多媒体功能的需求增大，以及3G应用的推广，用户迫切需要有更丰富的多点操作方式来简化手机的使用，比如对图片或视频的缩放和旋转，浏览网页时的快速导航。 另外，一些手持的游戏机往往亚求多个键同时按下，以实现不同的操作，同时又要求减少机械键的数目，增加屏幕的尺寸，而这恰好是多点触控的用武之地。在一些多媒体信息导航的设备或GPS中，对地图的截取和缩放也是多点触控的典型应用模式。 总之，基于PSoC的感应电容式触摸屏方案增加了用户界面的可操作性，而PSoC所具有的很高的灵活性和可扩展性，也有助于新产品的开发和推广。 作者：周永宏 现场技术工程师 赛普拉斯半导体